Resfriamento indireto têm várias aplicações, como na indústria de alimentos e bebidas
(crédito: Arquivo NT Editorial)
Ana Paula Basile Pinheiro
Atualmente existem várias razões para utilizar um sistema de resfriamento indireto. Entre elas estão a redução da quantidade de refrigerante primário, que pode ser mantido a um nível mínimo; menor risco de vazamento do refrigerante primário, uma vez que estes podem ser mantidos em um local fechado com segurança; e redução dos impactos ambientais.
“Quando se fala em novas tecnologias no setor de refrigeração industrial, deve-se ter em mente que o centro dos principais desenvolvimentos ainda é a Europa e os aspectos de segurança e impacto ambiental, seguidos pela eficiência energética, são os principais elementos a serem considerados. Os sistemas que utilizam fluidos secundários já estão amplamente difundidos em várias aplicações, mas no setor de refrigeração industrial existem ainda muitas oportunidades”, diz Leonilton Tomaz Cleto, consultor e diretor da Yawatz Engenharia.
Para ele, sistemas de resfriamento indireto têm várias aplicações e uma grande utilidade que é reduzir a carga de fluido refrigerante do circuito primário, deixá-lo numa unidade compacta, onde o principal equipamento do sistema indireto passa a ser o chiller. Assim o fluido refrigerante primário fica confinado a uma área especifica que pode ser uma sala de máquinas, central de água gelada, ou seja, uma central de resfriamento única. “E quando eu tenho isso, o circuito secundário, que irá fazer o resfriamento dos processos, ou dos ambientes, passa a operar com um fluido secundário e a instalação fica mais simples, pois só é necessária uma bomba e tubulações. Trata-se de um sistema muito mais simples em termos de projeto, de fabricação, montagem e mesmo a questão operacional é mais simples e também no que diz respeito a segurança. Diferente de um sistema de expansão direta onde o fluido irá atender todas as áreas do processo de resfriamento e dos ambientes. Então vejo várias vantagens no conceito de resfriamento indireto pelas facilidades que oferece”, informa Tomaz Cleto.
Ele acrescenta quando se tem um sistema com resfriamento indireto, o sistema primário resfria um produto ou um fluido numa determinada temperatura, e esse fluido é que irá resfriar o produto final (processo ou ambiente) com outras temperaturas, ocasionando algumas perdas por conta disto. Já em sistemas de expansão direta a temperatura é sempre a mesma, seja para resfriar o processo ou ambiente.
“Sobre as perdas de temperaturas ocasionadas no sistema de resfriamento indireto, nem sempre isso é verdade. Já de cara existe uma perda de carga no circuito de resfriamento direto que precisa ser computada nesta análise, já com resfriamento indireto essa perda de carga no circuito primário é mínima por estar num sistema extremamente compacto, além do mais é possível otimizar o bombeamento de líquido com perdas menores. Todas essas análises compreendem a eficiência total do sistema, onde algumas aplicações comprovam uma melhor eficiência na utilização do sistema indireto. Por exemplo, para o sistema de ar condicionado, em muitos casos um sistema com água gelada é mais eficiente que um sistema de expansão direta”, comenta o diretor da Yawatz.
José Alberto R. Parise, Prof. Dr do Departamento de Engenharia Mecânica Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, em trabalho publicado na revista Climatização & Refrigeração sobre “Novas soluções para fluidos secundários em refrigeração”, comenta a utilização de sistemas de refrigeração indireta (com uso de refrigerante secundário) e suas vantagens significativas. De acordo com Parise, um dos primeiros impactos desta escolha é a considerável redução da carga de refrigerante, que pode chegar até 40% da carga de refrigerante, ou até 85% da carga do sistema convencional, conduzindo à instalação de sistemas de refrigeração muito mais compactos e com um menor potencial de impacto ambiental. Outro ganho gerado desta prática é o confinamento do refrigerante primário à “casa de máquinas” o que simplifica o circuito do refrigerante, obtendo-se um funcionamento (e, consequentemente, uma temperatura de resfriamento) mais estável e seguro.
Fluidos secundários
Para muitas aplicações já existem diversos fluidos secundários, tais como a água, etileno e propileno glicóis, alcoóis etílico e metílico, acetato de potássio e formato de potássio e ainda fluidos bifásicos, tais como o CO2 (Líquido-Vapor) e ice slurries (sólido líquido), glicerina, e soluções de carbonato de potássio, CaCl2, MgCl2 e NaCl, com excelentes propriedades físicas, propiciando altos coeficientes de transferência de calor e menor perda de carga nas linhas do lado secundário, incluindo menores potências de bombas e menores diâmetros de tubulação.
Pasta de gelo como fluido secundário em sistemas de refrigeração
“Dessa forma, algumas aplicações tiveram seu conceito alterado de modo a propiciar um sistema muito mais eficiente do que os sistemas tradicionais com expansão direta. Nas plantas industriais, novas tecnologias também estão sendo implementadas, dentre as quais a introdução de sistemas de resfriamento indireto, utilizando chillers, sistemas cascata operando com CO2 e amônia, unidades satélites e otimização de componentes auxiliares, com foco específico na segurança operacional e no ganho de eficiência energética. A amônia, por suas excelentes características operacionais e termodinâmicas, continua sendo o principal fluido refrigerante utilizado no setor de refrigeração industrial e, por isso, se torna cada vez mais importante o contínuo aprimoramento do conhecimento sobre o uso seguro deste fluido”.
Espera-se do fluido secundário: baixa viscosidade, o que redunda em uma baixa perda de pressão e, consequentemente, uma baixa potência de bombeamento; boa performance na transferência de calor, o que implica em um elevado calor específico e boa condutividade térmica; ausência de problemas de corrosão e, pelo contrário, espera-se que o fluido a iniba; compatibilidade com os materiais habitualmente utilizados; adequação à regulamentação de segurança e saúde, sendo seguros para alimentos, não tóxicos, seguros à manipulação, apresentando baixo, ou nenhum, impacto ambiental; não inflamável; mecânica e quimicamente estável, enquanto à separação e degradação; e disponibilidade a preços razoáveis.
Segundo Parise as propriedades termofísicas que determinam a escolha de um ou outro refrigerante secundário são: a temperatura do ponto de solidificação, que limita a aplicação em refrigeração; a temperatura de ebulição, que limita a aplicação em arrefecimento; a tensão superficial, a massa específica e a viscosidade dinâmica, as quais determinam a queda de pressão e, por conseguinte, a potência de bombeamento; o calor específico e a condutividade térmica, os quais garantem o desempenho na troca de calor; e o coeficiente de expansão térmica. Ele apresenta um exemplo de aplicação da pasta de gelo como fluidos secundários em sistemas de refrigeração, já disponível comercialmente. A aplicação da pasta de gelo inclui áreas tais como a engenharia de alimentos e a indústria pesqueira. Pode-se produzir pasta de gelo a partir da água de mar e aplicar diretamente nos tanques de armazenamento de peixe. Da mesma forma, é possível produzir pasta de gelo a partir de soluções aquosas de sacarose e aplicar diretamente em frutas. Sua aplicação se estende, também, à área da medicina, onde é utilizada em técnicas menos invasivas, tais como a cirurgia laparoscópica no tratamento de rins. Neste caso específico, induz-se uma hipotermia localizada nos rins com a ajuda de pasta de gelo tópico, para evitar danos por isquemia (falta de oxigenação).
Parise admite que não se ultrapassando seu limite de congelamento, água é a melhor opção para o fluido secundário. Qualquer outra alternativa, que atenda a temperaturas mais baixas, apresentará desempenho térmico inferior ao da água. A menos que se parta para a utilização de fluidos multifuncionais, a pasta de gelo representa um eficaz meio de transporte de frio, principalmente em sistemas que façam uso da termoacumulação.
Sistema em cascata
O principal conceito de sistema adotado para a maioria das novas aplicações foi o da utilização combinada com outros fluidos, sejam estes em sistema de resfriamento indireto (com os chamados fluidos secundários), seja em sistema com ciclo “Cascata”, especificamente com o CO2. Por outro lado, com a introdução de um fluido é necessário que o patamar de mínima temperatura (a temperatura de evaporação do ciclo com amônia) seja um pouco mais baixo que os sistemas tradicionais com expansão direta de refrigerante, o que resulta em uma diminuição da eficiência energética do ciclo.
“Para compensar isto, algumas aplicações tiveram sua concepção alterada, de forma a minimizar ou neutralizar este impacto, além disso, os componentes dos novos sistemas com amônia foram otimizados para se obter uma recuperação da eficiência energética. Algumas aplicações desenvolvidas para a utilização de sistemas compactos, especialmente os chillers com trocadores de calor a placas para a utilização de sistemas com cargas muito reduzidas, além de alguns novos conceitos em plantas industriais”, revela Tomaz Cleto.
Segundo ele os chillers (Unidades Resfriadoras de Líquido) com trocadores de calor a placas representam um dos grandes avanços tecnológicos para a redução drástica da carga de amônia em um sistema de refrigeração associada a um COP (coeficiente de perfomance) elevado. A redução da carga de refrigerante no sistema chega a 80% quando comparado com chillers utilizando trocadores de calor “shell & tube” convencionais e até 95%, quando comparado com sistemas de expansão direta.
“Além disso, há duas vantagens operacionais dos chillers com trocadores a placas quando comparadas com um sistema de expansão direta. Neste último, por conta da montagem da instalação no campo, é difícil (normalmente é até desprezado) a realização do teste de estanqueidade adequado e o procedimento de vácuo dentro dos limites aceitáveis (da ordem de 5 kPa abs) antes da primeira carga de refrigerante. Isto gera paradas para manutenção mais frequentes, além da redução da vida útil de componentes internos e perda de COP ao longo do tempo. O fato dos chillers com trocadores a placas serem montados e testados completamente na fábrica, elimina este problema. Além disso, a taxa de reposição de amônia e de óleo lubrificante para o sistema é reduzida”, diz ele.
Tomaz Cleto cita duas aplicações como exemplo, onde a introdução de sistemas com chillers com trocadores a placas na indústria de bebidas trouxe grandes resultados relacionados à segurança e também à eficiência energética.
A utilização de um sistema de resfriamento indireto, com solução de etanol (ou outro fluido secundário) operando com um grande diferencial de temperatura, propiciou uma mudança no conceito da instalação de refrigeração nas indústrias de bebidas não alcoólicas gaseificadas. O novo sistema consiste de vários chillers com trocadores a placas que são colocados em série no circuito de solução de etanol. As condições de operação para sistema de resfriamento de etanol com chillers com trocadores a placas, em processo de resfriamento de bebidas gaseificadas podem ser vistas na Tabela 1. Já a Figura 1 indica um fluxograma esquemático de um sistema com chillers com trocadores a placas em série, para um processo de resfriamento de bebidas gaseificadas.
CO2 como fluido secundário
Nos sistemas de congelamento a baixa temperatura, quando comparado a um sistema secundário de uma fase, o uso de CO2 em sistema secundário de duas fases, apresenta as seguintes características:
- Menores custos de operação;
- Menores custos de tubulação;
- Melhor coeficiente de troca térmica do lado de evaporação, o que implica em menores trocadores de calor (air coolers, por exemplo);
- Custos equivalentes ou até menores para os sistemas com CO2, em comparação aos sistemas tradicionais de uma fase.
“Atualmente, as alternativas disponíveis para o aproveitamento do CO2 como solução de refrigeração são: Sistema de refrigeração em cascata com o uso do CO2 como fluido primário no estágio de baixa temperatura e a amônia ou outro refrigerante de boa performance no estágio de alta temperatura”, diz Alessandro da Silva, engenheiro de aplicação da Bitzer Compressores.
Segundo Silva, levando em consideração todos os aspectos abordados até aqui, fica claro que o CO2 ressurge como uma alternativa natural de longo prazo. Equipamentos de refrigeração usando CO2 como fluido refrigerante passam a ser soluções economicamente viáveis, além de ecologicamente corretas por não prejudicarem o meio ambiente. E, para um melhor aproveitamento das boas características do CO2 em baixas temperaturas, uma opção bastante apropriada é o uso de outro fluido refrigerante no sistema de alta temperatura, formando um sistema em cascata.
Ana Paula Basile Pinheiro - Editora da revista Climatização & Refrigeração